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研究生:蘇啟仁
研究生(外文):Chi-Jen Su
論文名稱:多重路徑傳播通道下信號到達方向估測演算法則之探討及效能分析
論文名稱(外文):Investigation and Performance Evaluations of Directional Finding Algorithms in Multi-path Propagation Channels
指導教授:彭松村彭松村引用關係
指導教授(外文):Song-Tsuen Peng
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:電信工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:智慧型天線系統陣列信號處理信號到達方向演算法則
外文關鍵詞:Smart antenna systemArray signal processingDirection finding algorithm
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多重路徑傳播通道下信號到達方向估測演算法則之探討及效能分析
研 究 生:蘇啟仁 指導教授:彭松村 博士
國 立 交 通 大 學
電 信 工 程 學 系
摘 要
智慧型天線系統是在使用者對基地台的上鏈通訊中採用一組特定排列方式的陣列天線,利用空間分隔多工進階存取(SDMA)的方式,將每個使用者的空間特徵或方位分辨出來,藉此而達到用戶容量的增加、通 訊品質的提昇及多重路徑效應的消除。本文將探討DFT、MVDR、MUSIC和ESPRIT等四種信號到達方向估測演算法則之上鏈模擬與效能評估,並且以假設的信號到達方向和利用應用軟體所建立的模擬環境,探討無線通訊上常見的幾種參數(如:天線高度、多重路徑個數…)對於上鏈信號到達方向演算法則的影響。本文也指出ESPRIT使用於實際環境中的限制,提供應用陣列天線演算法則於實際環境中之有效參考。論文最後提出Subspace smoothing和Two-dimensional ESPRIT兩種方式,前者用來有效減低信號到達路徑間的相關性,後者用來改善演算法則可解析的信號到達方向個數受天線陣列個數所限制的缺點,並且模擬比較傳統方法和Subspace smoothing以及Two-dimensional ESPRIT的結果。
關鍵詞:智慧型天線系統;陣列信號處理;信號到達方向演算法則
Investigation and Performance Evaluations of Directional Finding Algorithms in Multi-path Propagation Channels
Student : Chi-Jen Su Advisor : Dr. Song-Tsuen Peng
Institute of Communication Engineering
National Chiao Tung University
Hsinchu, Taiwan
Abstract
By utilizing a phased array antenna composed of multiple antenna elements and applying direction finding algorithms at the base station using spatial-division-multiple-access (SDMA) scheme in an uplink communication path, one can combat multi-path fading, reduce interference, increase power efficiency, obtain diversity gain, and improve system performance. In this thesis, direction finding algorithms, such as DFT、MVDR、MUSIC、and ESPRIT, are simulated and evaluated using assumed angles of arrival and array responses derived from ray tracing model. Besides, we point out the limitations of applying ESPRIT algorithm in real mobile user scenarios and provide recommendations for applying array signal processing algorithms in real multi-path user environments. In the thesis two methods, subspace smoothing and two-dimensional ESPRIT are proposed for improving the performance of ESPRIT algorithm. The former one is used to effectively eliminate the correlations among multi-path signals. The latter one is used to improve the defeat that the number of estimated angle arrivals by direction finding algorithm are limited by the number of antenna elements. Moreover, simulation results and comparison between proposed methods and traditional ESPRIT algorithm are presented in this thesis.
Keywords:Smart antenna system; Array signal processing; Direction finding algorithm
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
誌 謝 III
目 錄 IV
表 目 錄 VII
圖 目 錄 VIII
第1章 背景 1
第2章 信號到達方向演算法則介紹 5
2.1 概論 5
2.2 智慧型天線系統的簡介 6
2.3 適應性演算法則上鏈之簡介 8
2.4 上鏈演算法則 9
2.4.1 空間特徵概述 9
2.4.2 上鏈低解析度信號到達方向估測演算法則-DFT 11
2.4.3 上鏈低解析度信號到達方向估測演算法則-MVDR 12
2.4.4 上鏈高解析度信號到達方向估測演算法則-MUSIC 14
2.4.5 上鏈高解析度信號到達方向估測演算法則-ESPRIT 17
2.4.6 空間平滑技術 21
第3章 信號到達方向演算法則之評估模擬 24
3.1 智慧型天線系統上鏈演算法則使用MATLAB之摸擬評估 24
3.2 MATLAB之環境假設及各種參數設定 25
3.2.1 環境設定 25
3.2.2 輸入參數值及模擬結果 26
3.3 使用環境模擬軟體之環境假設及各種參數設定 32
3.3.1 環境設定 32
3.3.2 對於不同數目信號到達方向輸入參數值及模擬結果 33
3.3.3 對於不同接收端天線高度模擬結果 39
3.3.4 使用實際環境電子地圖模擬結果 41
3.4 結論 46
第4章 ESPRIT在實際環境之現象探討 50
第5章 ESPRIT效能改善-SUBSPACE SMOOTHING以及傳統SPATIAL SMOOTHING之比較 56
5.1 信號子空間平滑技術演算法則之簡介 57
5.2 利用ESPRIT演算法則於MIMO系統 59
5.3 信號子空間平滑技術演算法則之模擬設定 61
5.4 子空間平滑技術演算法則模擬結果 64
5.5 子空間平滑技術演算法則結論 71
第6章 TWO-DIMENSIONAL ESPRIT 73
6.1 Two-dimensional ESPRIT演算法則之簡介 74
6.2 Two-dimensional ESPRIT演算法則之模擬設定及結果 75
6.3 Two-dimensional ESPRIT演算法則結論 80
第7章 結論 82
參考文獻 88
表 目 錄
表1. CASE1上鏈信號到達角度估測結果數據 27
表2. CASE2上鏈信號到達角度估測結果數據 29
表3. CASE3上鏈信號到達角度估測結果數據 30
表4. CASE4上鏈信號到達角度估測結果數據 32
表5. 對不同數目DOA之上鏈信號到達角度估測數據 38
表6. 對不同接收天線高度之上鏈信號到達角度估測數據 39
表7. 對不同接收天線高度之上鏈信號到達角度估測數據 41
表8. 對實際環境電子地圖(一)之上鏈信號到達角度估測數據 43
表9. 對實際環境電子地圖(二)之上鏈信號到達角度估測數據 44
表10. 對實際環境電子地圖(三)之上鏈信號到達角度估測數據 45
表11. 五個信號到達角度估測數據(*表示解出失敗) 52
表12. 六個信號到達角度估測數據(*表示解出失敗) 53
表13. 在三種實例相對角度誤差的比較 69
表14. 五個信號到達方向實例之一模擬結果 70
表15. 六個信號到達方向模擬結果 71
表16. TWO-DIMENSIONAL ESPRIT模擬環境(一)模擬結果 77
表17. TWO-DIMENSIONAL ESPRIT模擬環境(二)模擬結果 79
圖 目 錄
圖1. 智慧型天線系統的基本架構 7
圖2. ESPRIT演算法則之天線子陣列配置圖 18
圖3. FBSS技術的子陣列的配置方式 22
圖4. CASE1上鏈信號到達角度估測結果 27
圖5. CASE2上鏈信號到達角度估測結果 28
圖6. CASE3上鏈信號到達角度估測結果 30
圖7. CASE4上鏈信號到達角度估測結果 31
圖8. 環境模擬軟體針對不同DOA數目繪出之假設環境 36
圖9. 對不同數目DOA之上鏈信號到達角度估測結果 37
圖10. 環境模擬軟體對不同接收天線高度繪出之假設環境 40
圖11. 實際環境電子地圖之環境(一) 43
圖12. 實際環境電子地圖之環境(二) 44
圖13. 實際環境電子地圖之環境(三) 45
圖14. 五個信號到達角度之電波傳播示意圖 52
圖15. 六個信號到達角度之電波傳播示意圖 53
圖16. MIMO智慧型天線系統架構圖 61
圖17. 子空間平滑技術模擬環境 63
圖18. 行動端移動路線示意圖 63
圖19. 經由傳統DFT信號到達方向演算法則所解得的直視波路徑信號到達方向結果 67
圖20. 經由傳統DFT信號到達方向演算法則所解得的物體反射之多重路徑信號到達方向結果 67
圖21. 兩個信號到達方向之模擬環境 68
圖22. 三個信號到達方向之模擬環境 68
圖23. 五個信號到達方向模擬環境 69
圖24. 六個信號到達方向模擬環境 70
圖25. TWO-DIMENSIONAL ESPRIT模擬環境(一) 77
圖26. TWO-DIMENSIONAL ESPRIT模擬環境(二) 78
參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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